8 cosas que debe saber sobre los sensores piezorresistivos difusos de silicio

La medición de la presión es fundamental en innumerables procesos industriales, desde la gestión de motores de automóviles hasta los sistemas médicos de soporte vital. Entre las diversas tecnologías disponibles hoy en día, sensores piezorresistivos difusos de silicio se han revelado como una de las soluciones más fiables y versátiles. Estos sensores de presión de silicio combinan una precisión excepcional, un tamaño compacto y rentabilidad, lo que las convierte en la opción preferida para aplicaciones en las que la precisión y la durabilidad son lo más importante.

¿Qué son los sensores piezorresistivos difusos de silicio?

A sensor piezorresistivo difuso de silicio es un dispositivo de medición de la presión que utiliza el efecto piezorresistivo del silicio para detectar cambios de presión. El efecto piezoresistivo se refiere al cambio de resistencia eléctrica que se produce cuando se aplica tensión mecánica a un material. En sensores de presión piezoresistivosEste efecto se aprovecha mediante resistencias de silicio especialmente dopadas que se difunden directamente en un diafragma de silicio.

La principal ventaja de transductores de presión de silicio difuso radica en su proceso de fabricación. A diferencia de las galgas extensométricas adheridas, los elementos resistivos se crean mediante difusión a alta temperatura, lo que los convierte en parte integrante de la estructura de silicio. El resultado es una mayor estabilidad mecánica, mejores características de temperatura y una mayor fiabilidad a largo plazo en comparación con las galgas tradicionales. sensores de medición de presión.

Figura 1. Estructura interna de un transductor de presión de silicio difuso Estructura interna de un transductor de presión de silicio difuso, que ilustra los componentes clave y las interfaces eléctricas.

¿Cómo funciona la tecnología de sensores piezorresistivos?

El principio de funcionamiento de tecnología de sensores piezorresistivos se centra en un diafragma de silicio con cuatro resistencias difusas dispuestas en una configuración de puente de Wheatstone. Cuando se aplica presión al diafragma, éste se desvía ligeramente, provocando una tensión mecánica en el cristal de silicio. Esta tensión modifica los valores de resistencia de las piezorresistencias difusas: dos resistencias aumentan su resistencia, mientras que las otras dos la disminuyen.

En Sensor de puente de Wheatstone convierte estos cambios de resistencia en una salida de tensión proporcional. Como las resistencias están perfectamente adaptadas y colocadas simétricamente, el puente ofrece una excelente linealidad y compensación de temperatura. Moderno sensores de presión de silicio suelen incorporar circuitos adicionales para la amplificación de la señal, la compensación de temperatura y la salida digital, transformando el elemento sensor básico en un completo transmisor de presión.

La belleza de sensor de silicio difuso es que toda la estructura de detección puede micromecanizarse a partir de una única oblea de silicio utilizando técnicas de fabricación de semiconductores. Este Sensor de presión MEMS permite la producción en serie con una calidad constante y una miniaturización imposible con sensores mecánicos.

Principales ventajas técnicas de los sensores piezorresistivos difusos de silicio

Sensores de presión de alta precisión basados en tecnología piezorresistiva difusa suelen alcanzar niveles de precisión de ±0,1% a ±0,25% del fondo de escala, con algunos modelos de precisión que alcanzan ±0,05%. El sitio galga extensométrica de silicio proporciona una excelente linealidad en todo el rango de presión, minimizando la necesidad de complejas curvas de calibración.

La estabilidad a largo plazo es otra de las características sensores de presión piezoresistivos. Dado que los elementos sensores se difunden en la estructura cristalina de silicio en lugar de adherirse a ella, presentan una deriva mínima con el paso del tiempo. Muchos sitios sensores de presión industriales que utilizan esta tecnología mantienen su calibrado durante años sin necesidad de ajustes.

En sensor de presión semiconductor también ofrece un rango de medición extremadamente amplio. Los diseños de sensores individuales pueden medir presiones desde unos pocos milibares hasta varios miles de bares, lo que hace que transductores de presión de silicio difuso adecuado para aplicaciones que van desde sensores de presión diferencial en sistemas HVAC para sensores de presión absoluta en la exploración de los fondos marinos.

Nunca se insistirá lo suficiente en las ventajas del tamaño y la integración. Sensores de presión MEMS basados en la tecnología piezorresistiva difusa pueden fabricarse en envases más pequeños que un grano de arroz, y aun así ofrecer prestaciones de nivel profesional. Esta miniaturización permite su uso en dispositivos médicos portátiles, tecnología vestible y aplicaciones de automoción con limitaciones de espacio.

Figura 2. Circuito básico de puente de Wheatstone utilizado en los sensores piezorresistivos de silicio para lograr una conversión precisa de presión a tensión.

Aplicaciones reales de los sensores de presión piezorresistivos

En el industria del automóvil, tecnología de sensores piezorresistivos es esencial para los sistemas de gestión del motor, ya que controla la presión del colector, la presión del combustible y el sistema hidráulico de los frenos. Sensores de presión de silicona ayudan a optimizar la eficiencia de la combustión, reducir las emisiones y garantizar la seguridad en los vehículos modernos.

Productos sanitarios dependen en gran medida de sensores de presión de alta precisión para aplicaciones críticas. Los tensiómetros, los respiradores, las bombas de infusión y las máquinas de diálisis dependen de la precisión y la fiabilidad de los sistemas de control de tensión. transductores de presión de silicio difuso para garantizar la seguridad de los pacientes.

Automatización industrial uso de sistemas sensores de presión piezoresistivos ampliamente para el control de procesos, la supervisión de sistemas hidráulicos y equipos neumáticos. La robustez de sensores de presión semiconductores los hace ideales para entornos industriales difíciles en los que la fiabilidad no puede verse comprometida.

Los sistemas HVAC emplean sensores de presión diferencial para controlar el caudal de aire, el estado del filtro y la eficacia del sistema. Sensores de presión manométrica ayudan a mantener unas condiciones de funcionamiento óptimas minimizando el consumo de energía.

En aplicaciones aeroespacialesla extrema fiabilidad y la amplia gama de temperaturas de sensores piezorresistivos difusos de silicio los hacen adecuados para la medición de la altitud, el control de la presión en cabina y la supervisión de sistemas hidráulicos en aviones y naves espaciales.

Figura 3. Sensores de presión piezorresistivos difusos utilizados en entornos industriales, que garantizan una medición precisa y estable en tuberías de líquidos y gases.

Comparación de los sensores piezorresistivos con otras tecnologías

Al comparar sensores de presión piezoresistivos con los sensores de galgas extensométricas adheridas, la tecnología de silicio difuso ofrece una estabilidad de temperatura y una fiabilidad a largo plazo superiores. A diferencia de las galgas adheridas, que pueden desprenderse con el tiempo, las resistencias difusas están integradas permanentemente en la estructura de silicio.

En comparación con sensores capacitivos, tecnología de sensores piezorresistivos proporciona tiempos de respuesta más rápidos y es menos susceptible a las interferencias electromagnéticas. Mientras que los sensores capacitivos destacan en aplicaciones de presión ultrabaja, sensores de presión de silicio ofrecen un mejor rendimiento en una gama de presiones más amplia.

Sensores piezoeléctricos son excelentes para medir la presión dinámica, pero no pueden medir la presión estática. Transductores de presión de silicio difusopor el contrario, pueden medir tanto la presión estática como la dinámica, lo que los hace más versátiles para aplicaciones industriales generales.

Factores que afectan al rendimiento de los sensores

La temperatura es el principal factor medioambiental que afecta a sensores de presión piezoresistivos. Mientras que los modernos sensores de presión de temperatura compensada incorporan circuitos de compensación en el chip, las temperaturas extremas pueden seguir afectando a la precisión. La mayoría de los sitios sensores de presión industriales están preparadas para funcionar entre -40°C y +125°C, con versiones especializadas disponibles para condiciones más extremas.

La protección contra la sobrepresión es fundamental para sensores de presión de silicio. Aunque el diafragma de silicona es extraordinariamente resistente, superar la presión nominal máxima puede causar daños permanentes. Calidad transductores de presión de silicio difuso suelen incluir topes mecánicos o dispositivos de alivio de presión para evitar daños por sobrepresión.

La compatibilidad de los soportes debe tenerse en cuenta al seleccionar sensores de presión piezoresistivos. Los materiales húmedos del sensor -por lo general, silicio, vidrio y metal- son compatibles con la mayoría de gases y líquidos, pero los productos químicos agresivos pueden requerir un sellado especial o diafragmas de aislamiento.

Mejores prácticas de selección e instalación

Al seleccionar sensores de medición de presiónEn primer lugar, determine si necesita un sensor de presión absoluta, sensor de presión manométricao sensor de presión diferencial. Los sensores absolutos miden la presión relativa al vacío, los sensores manométricos miden la presión relativa a la atmosférica y los sensores diferenciales miden la diferencia entre dos puntos de presión.

Elija el intervalo de presión adecuado con un margen de seguridad. Para sensores de presión de alta precisiónPara obtener una precisión óptima, seleccione un intervalo en el que la presión de funcionamiento típica se sitúe en el 50-80% medio de la escala completa.

Considera el tipo de señal de salida. Sensores de presión piezoresistivos están disponibles con salidas analógicas (mV, 0-5V, 4-20mA) o interfaces digitales (I2C, SPI, CAN). Las salidas digitales simplifican la integración con microcontroladores y eliminan la necesidad de conversión analógico-digital.

Una instalación adecuada es crucial para sensores de presión de silicio. Asegúrese de que la superficie de montaje sea plana y esté limpia, utilice un sellador de roscas adecuado que no contamine la toma de presión y evite apretar en exceso, ya que puede provocar tensiones mecánicas que afecten a las lecturas.

El futuro de los sensores piezorresistivos difusos de silicio

La evolución de Sensores de presión MEMS sigue superando fronteras. Nueva generación sensores piezorresistivos difusos de silicio están incorporando técnicas avanzadas de fabricación de MEMS, lo que permite tamaños aún más pequeños e integración con otros sensores para crear dispositivos de medición multiparámetro.

La tecnología de sensores inteligentes está transformando tecnología de sensores piezorresistivos. Moderno sensores de presión semiconductores ahora incluyen microprocesadores en chip que proporcionan autocalibración, capacidades de diagnóstico y comunicación inalámbrica. Estos transmisores de presión pueden detectar la deriva de los sensores, advertir de posibles fallos y transmitir datos directamente a sistemas de vigilancia basados en la nube.

Las redes de sensores inalámbricos permiten nuevas aplicaciones sensores de presión industriales. A pilas transductores de presión de silicio difuso con un consumo energético ultrabajo pueden funcionar durante años sin mantenimiento, lo que las hace ideales para aplicaciones de supervisión remota.

¿Busca un sistema fiable y de alta precisión soluciones de medición de la presión? Tanto si necesita sensores de presión piezoresistivos para aplicaciones de automoción, médicas, industriales o aeroespaciales, nuestra gama de transductores de presión de silicio difuso ofrece la precisión y fiabilidad que exigen sus aplicaciones.

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Preguntas frecuentes sobre los sensores piezorresistivos difusos de silicio

¿Cuál es la diferencia entre los sensores de presión piezoresistivos y piezoeléctricos?

Sensores de presión piezoresistivos miden tanto la presión estática como la dinámica detectando los cambios de resistencia en el silicio, mientras que los sensores piezoeléctricos sólo miden los cambios de presión dinámica y no pueden detectar la presión estática.

¿Cuál es la precisión de los sensores de presión de silicona difusa?

Sensores piezorresistivos difusos de silicio suelen ofrecer una precisión de entre ±0,1% y ±0,25% del fondo de escala, y los modelos de precisión alcanzan ±0,05% o más.

¿Qué rangos de presión pueden medir los sensores piezorresistivos?

Sensores de presión de silicona pueden medir desde unos pocos milibares hasta 10.000 bar (145.000 psi), dependiendo del diseño del sensor y del grosor del diafragma.

¿Los sensores piezorresistivos se ven afectados por la temperatura?

Sí, pero moderno sensores de presión de temperatura compensada incluyen compensación en chip que minimiza los efectos de la temperatura en todo su rango de funcionamiento, normalmente de -40°C a +125°C.

¿Cuál es la vida útil típica de un sensor de presión de silicio difuso?

Con una instalación adecuada y un funcionamiento dentro de las especificaciones, sensores de presión piezoresistivos pueden funcionar de forma fiable durante más de 10 años con una deriva mínima.

¿Pueden estos sensores medir la presión de vacío?

Sí, sensores de presión absoluta utilizando tecnología de sensores piezorresistivos pueden medir desde el vacío total (0 bar absolutos) hasta su presión nominal máxima.